CFR600乏组件转换桶数值模拟研究
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最终网格划分结果如图 2 所示。
计算结果分析 收敛判定
本文采用商业 CFD 软件 STAR-CCM+，为稳态计算。 为研究计算结果的网格无关性，选择钠液出口温度作为特征 值进行分析验证，网格无关性分析结果如图 3 所示。计算结 果在网格数量达到 200 万量级趋于稳定。在此种网格划分方 式下，可保证乏桶的的复杂结构有较好的网格质量以及可靠 地计算结果。基于上述网格无关性的验证，最终网格总体数 量为 253 万。
将计算域划分为多个区域进行网格划分，分别为钠液区 域、氩气区域、桶盖区域和预埋件区域。网格划分方式选择 为多面体网格，以便降低对于硬件资源的要求和计算时间。
计算条件与边界设置 计算条件
本文使用商业 CFD 软件 STAR-CCM+，采用稳态的 计算。主要的计算条件与模型的设置总结如下：
（1）物性参数 乏桶计算域中包含多种结构构件，涉及多种材料介质， 如 304 不锈钢、混凝土、保温材料以及氩气。计算过程中各 材料的温度变化范围较大，其物性参数随温度的变化对计算 影响较大，各材料物性参数列于表 1，考虑各材料物性参数 随温度的变化，采用多项关系式设置温度函数对物性参数在 求解过程中进行实时更新。 （2）边界条件 乏组件转换桶中氩气空间位于钠液面以上，周围是吊桶 构件和预埋件，其外部环境为转换桶工艺间和反应堆大厅， 空气与其均进行对流换热，设置为对流边界条件，环境温度 为 40℃。壁面条件按照导热的性质主要分为以下几类：绝 热边界条件、对流边界条件、共轭传热边界条件及导热壁面 边界条件。预埋件竖直壁面外侧均为与其相同的混凝土材料， 可将该壁面视为绝热边界条件处理；流体与固体的接触面为
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图 1 几何模型简图 图 2 网格划分结果
CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jun.2021·中国科技信息 2021 年第 12 期
31 万～ 60 万◎
图 3 钠液出口温度网格无关性验证
图 5 预埋件温度分布云图
图 4 X=0 截面模型整体速度和温度分布
绝热
对流换热系数 /（W/m2•K）
6
-
保温材料 4.08
840+0.28*T 0.0372+1.8E-4*T
-
混凝土 2500 920 1.74
-
环境温度 /℃
40
40 40 40
壁面发射率
0.2
0.35 0.03 0.2
准 K-Epsilon 模型是一种稳定经济的湍流模拟方法，并且 有着较大的适用范围以及足够的精度。STAR-CCM+ 中的 模型已增加一些额外项，以考虑浮力和可压缩性效应，因此 将标准 K-Epsilon 模型作为乏组件转换桶中氩气空间热工 计算的主要湍流模型。对于钠液区域则选择标准 K-Epsilon 低雷诺数模型，它具有与标准 K-Epsilon 模型相同的系数， 但提供更多阻尼函数。这些函数使该模型适用于近壁面的黏 性影响区域。
物理模型
工程研究分析中涉及到大量的流动传热问题，这些问题 虽然存在着复杂的耦合，但也有有其内在的规律。大量实验 分析归纳出来的质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定 律就是最基本的三大控制方程。
（1）质量守恒定律 质量守恒定律又称为连续性方程：
钠冷快堆作为第四代核电技术中开展研究和建设经验最 为丰富的堆型，势必将成为未来第四代核电站的主要堆型。 中国示范快堆是作为我国钠冷快堆发展“三步走战略”的重 要一步，为实现钠冷快堆商业化奠定坚实的基础。CFR600 乏组件转换桶是堆外换料系统中的重要设备，属于三级安全 设备，为了保证设备提供相应的功能，制定了设备满载工况 下的设计准则：预埋件下钢板温度峰值不超过 70℃，钠液出 口温度不高于 250℃。
结语
采 用 计 算 流 体 力 学（CFD） 的 方 法， 对 示 范 快 堆 CFR600 乏组件转换桶内流体区域和相关部件建立了模型， 分析计算了满载工况下乏组件转换桶内热工流场的分布情 况。初步计算结果显示，满载工况下考虑足够的热工计算余 量，预埋件下钢板最高温度为 56.Байду номын сангаас7℃，钠液出口最高温度 为 240.35℃均满足设计要求。因此氩气对预埋件起到很好 的隔热效果，但是由于进出口通道的同向布置，流场的不均 匀会导致桶体内部的温度分布存在一定程度的不均匀性。
计算流体力学方法（CFD）是集物理、数值方法和计算 机科学于一体，用于模拟流固体的流动传热。随着计算机技 术和现代数值仿真技术的进 步，使得通过多物理场、多尺度 等耦合框架实现 对反应堆综合性能的大规模数值模拟成为可 能。反应堆设备实际和假设的瞬态、事故分析过程中，存在 着复杂的热工水力现象。而且由于设备全尺寸实验的限制， 利用数值模拟的方法来分析十分有必要。由于乏组件转换桶 结构庞大，而且涉钠操作较多，不适合开展详细的实验研究， 因此对乏桶的进行数值模拟研究有重要的工程价值和意义。 本文采用成熟的商业 CFD 软件 STAR-CCM+ 作为模拟研 究工具，对乏桶进行三维热特性分析。
（5）辐射模型 在 现 阶 段 发 展 较 快 的 辐 射 模 型 中，S2S（Surface– to-Surface）辐射模型适用于计算封闭空间中介质吸收热辐 射能力较弱的的辐射换热，并且模型主要参数运行在计算迭 代步开始前预处理完成，因此在算例计算中具有较高的计算 速度，符合乏桶内部热辐射计算需求，故在乏桶热工计算时 热辐射计算选用 S2S 方法。
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◎ 31 万～ 60 万
中国科技信息 2021 年第 12 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jun.2021
表 1 材料物性参数
参数
密度，kg/m3 比热容，J/kg·K 导热系数，W/m·K 动力黏度，Pa·s
氩气 理想气体 521.532 0.0177568 2.27682E-5
CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jun.2021·中国科技信息 2021 年第 12 期
link
appraisement
徐晓晨 胡文军
中国原子能科学研究院
行业曲线 industry
31 万～ 60 万◎
DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2021.12.022
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数值 304 不锈钢
8030 455.9075+0.1725*T 8.85855+0.02215*T-6.58021E-6*T2
-
表 2 氩气空间计算边界条件
边界位置 吊桶外表面 预埋件上表面 装卸料通道超出预埋件部分 不锈钢表面
钠液面 其他壁面
边界条件类型
第 3 类边界条件
第 3 类边界条件 第 3 类边界条件
图 6 X=0 截面 0 至 0.005m/s 速度区间流场分布图
为 56.17℃，符合设计限值要求。 钠液区域流动分析 在乏组件转换桶中乏组件的区域钠液的流动特性对于乏
组件的冷却有非常重要的影响，细化分析后发现乏组件区域 存在着轴向温度分布的不均匀，在远离乏桶出入口通道的位 置温度相对较高，这主要是由于冷却剂周向流动分布的不均 匀导致的。如下图 6 所示为 X=0 截面 0 至 0.005m/s 速度 区间流场分布图。但是钠液的流速差异并不是很大并且钠液 的导热率足够高，因此周向的温度差异很小。
（1） 式中 ρ 表示流体的密度；u、v、w 分别表示流体速度 矢量 U 在三个坐标上的分量；t 表示时间。 （2）动量守恒定律：
（2）
（3）
（4） 式中 Su、Sv、Sw 为三个动量方程的广义源项，p 为为 微元体的压力，η 为动力黏性系数。 （3）能量守恒定律：
（5） 式中 h 为流体比焓，Sh 为流体内热源，λ 为流体导热 系数，φ 为耗散能。 （4）湍流模型 选择合适的湍流模型，对于模拟计算有重要的影响。标
共轭传热边界条件；对于简化为无厚度面的部件，采用设置 热阻值的方式进行等效。由于氩气开启了辐射模型，对于与 氩气接触的壁面，均与氩气进行辐射换热。详细边界条件如 表 2 所示。
几何以及网格建模
乏组件转换桶整体结构的尺寸与局部部件的尺寸相差较 大，如果采用原始结构进行网格划分，初步粗算网格量巨大 （亿级以上），且网格质量不易提高。因此在整体计算过程中， 考虑到乏桶的几何对称性，对模型进行几何简化，保留对计 算结果影响较大的几何特征。建立 1/2 的几何模型如图 1 所示。
可实现度
可替代度
影响力
真实度
行业关联度
CFR600 乏组件转换桶数值模拟研究
乏组件转换桶作为快堆燃料操作系统堆外转运过程中一个重要的中 间枢纽，为乏组件堆外转运过程提供临时贮存冷却。为保证乏组件转换 桶的结构完整性，在乏组件转换桶与预埋件之间布置了氩气作为隔热层， 从而降低顶部承载结构预埋件的温度峰值。本文采用计算流体力学程序 STAR-CCM，针对示范快堆乏组件转换桶的设计方案进行热工水力计 算。研究结果认为，乏组件转换桶在预定的设计方案下，满载工况下预 埋件下钢板的温度峰值、乏组件转换桶出口钠温均能满足设计要求。
计算结果
满载工况温度和速度分布 经过计算，当满载工况下，入口钠液质量流量为 6.5kg/ s 时，桶体内速度和温度分布如图 4 所示，吊桶区域内的氩 气为封闭空间内的自然循环，最大速度为 0.51m/s。钠液区 域虽然存在强迫循环，但是桶体内尺寸较大，内部的流速较 为缓慢为 0.004m/s，仅在进出口通道位置处，由于管道的 尺寸较小，流速相对较大为 2.13m/s。乏桶出口温度最大值 为 240.35℃，满足设计限值要求。 满载工况下，预埋件温度分布如图 5 所示，整个预埋件 的最高温度为 56.17℃，最低温度为 41.76℃。沿着高度方 向，随着高度的增加温度逐渐降低，靠近高温传动轴及装卸 料通道位置的预埋件温度相对较高。预埋件下端面最高温度
计算结果分析 收敛判定
本文采用商业 CFD 软件 STAR-CCM+，为稳态计算。 为研究计算结果的网格无关性，选择钠液出口温度作为特征 值进行分析验证，网格无关性分析结果如图 3 所示。计算结 果在网格数量达到 200 万量级趋于稳定。在此种网格划分方 式下，可保证乏桶的的复杂结构有较好的网格质量以及可靠 地计算结果。基于上述网格无关性的验证，最终网格总体数 量为 253 万。
将计算域划分为多个区域进行网格划分，分别为钠液区 域、氩气区域、桶盖区域和预埋件区域。网格划分方式选择 为多面体网格，以便降低对于硬件资源的要求和计算时间。
计算条件与边界设置 计算条件
本文使用商业 CFD 软件 STAR-CCM+，采用稳态的 计算。主要的计算条件与模型的设置总结如下：
（1）物性参数 乏桶计算域中包含多种结构构件，涉及多种材料介质， 如 304 不锈钢、混凝土、保温材料以及氩气。计算过程中各 材料的温度变化范围较大，其物性参数随温度的变化对计算 影响较大，各材料物性参数列于表 1，考虑各材料物性参数 随温度的变化，采用多项关系式设置温度函数对物性参数在 求解过程中进行实时更新。 （2）边界条件 乏组件转换桶中氩气空间位于钠液面以上，周围是吊桶 构件和预埋件，其外部环境为转换桶工艺间和反应堆大厅， 空气与其均进行对流换热，设置为对流边界条件，环境温度 为 40℃。壁面条件按照导热的性质主要分为以下几类：绝 热边界条件、对流边界条件、共轭传热边界条件及导热壁面 边界条件。预埋件竖直壁面外侧均为与其相同的混凝土材料， 可将该壁面视为绝热边界条件处理；流体与固体的接触面为
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图 1 几何模型简图 图 2 网格划分结果
CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jun.2021·中国科技信息 2021 年第 12 期
31 万～ 60 万◎
图 3 钠液出口温度网格无关性验证
图 5 预埋件温度分布云图
图 4 X=0 截面模型整体速度和温度分布
绝热
对流换热系数 /（W/m2•K）
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保温材料 4.08
840+0.28*T 0.0372+1.8E-4*T
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混凝土 2500 920 1.74
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环境温度 /℃
40
40 40 40
壁面发射率
0.2
0.35 0.03 0.2
准 K-Epsilon 模型是一种稳定经济的湍流模拟方法，并且 有着较大的适用范围以及足够的精度。STAR-CCM+ 中的 模型已增加一些额外项，以考虑浮力和可压缩性效应，因此 将标准 K-Epsilon 模型作为乏组件转换桶中氩气空间热工 计算的主要湍流模型。对于钠液区域则选择标准 K-Epsilon 低雷诺数模型，它具有与标准 K-Epsilon 模型相同的系数， 但提供更多阻尼函数。这些函数使该模型适用于近壁面的黏 性影响区域。
物理模型
工程研究分析中涉及到大量的流动传热问题，这些问题 虽然存在着复杂的耦合，但也有有其内在的规律。大量实验 分析归纳出来的质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定 律就是最基本的三大控制方程。
（1）质量守恒定律 质量守恒定律又称为连续性方程：
钠冷快堆作为第四代核电技术中开展研究和建设经验最 为丰富的堆型，势必将成为未来第四代核电站的主要堆型。 中国示范快堆是作为我国钠冷快堆发展“三步走战略”的重 要一步，为实现钠冷快堆商业化奠定坚实的基础。CFR600 乏组件转换桶是堆外换料系统中的重要设备，属于三级安全 设备，为了保证设备提供相应的功能，制定了设备满载工况 下的设计准则：预埋件下钢板温度峰值不超过 70℃，钠液出 口温度不高于 250℃。
结语
采 用 计 算 流 体 力 学（CFD） 的 方 法， 对 示 范 快 堆 CFR600 乏组件转换桶内流体区域和相关部件建立了模型， 分析计算了满载工况下乏组件转换桶内热工流场的分布情 况。初步计算结果显示，满载工况下考虑足够的热工计算余 量，预埋件下钢板最高温度为 56.Байду номын сангаас7℃，钠液出口最高温度 为 240.35℃均满足设计要求。因此氩气对预埋件起到很好 的隔热效果，但是由于进出口通道的同向布置，流场的不均 匀会导致桶体内部的温度分布存在一定程度的不均匀性。
计算流体力学方法（CFD）是集物理、数值方法和计算 机科学于一体，用于模拟流固体的流动传热。随着计算机技 术和现代数值仿真技术的进 步，使得通过多物理场、多尺度 等耦合框架实现 对反应堆综合性能的大规模数值模拟成为可 能。反应堆设备实际和假设的瞬态、事故分析过程中，存在 着复杂的热工水力现象。而且由于设备全尺寸实验的限制， 利用数值模拟的方法来分析十分有必要。由于乏组件转换桶 结构庞大，而且涉钠操作较多，不适合开展详细的实验研究， 因此对乏桶的进行数值模拟研究有重要的工程价值和意义。 本文采用成熟的商业 CFD 软件 STAR-CCM+ 作为模拟研 究工具，对乏桶进行三维热特性分析。
（5）辐射模型 在 现 阶 段 发 展 较 快 的 辐 射 模 型 中，S2S（Surface– to-Surface）辐射模型适用于计算封闭空间中介质吸收热辐 射能力较弱的的辐射换热，并且模型主要参数运行在计算迭 代步开始前预处理完成，因此在算例计算中具有较高的计算 速度，符合乏桶内部热辐射计算需求，故在乏桶热工计算时 热辐射计算选用 S2S 方法。
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◎ 31 万～ 60 万
中国科技信息 2021 年第 12 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jun.2021
表 1 材料物性参数
参数
密度，kg/m3 比热容，J/kg·K 导热系数，W/m·K 动力黏度，Pa·s
氩气 理想气体 521.532 0.0177568 2.27682E-5
CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jun.2021·中国科技信息 2021 年第 12 期
link
appraisement
徐晓晨 胡文军
中国原子能科学研究院
行业曲线 industry
31 万～ 60 万◎
DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2021.12.022
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数值 304 不锈钢
8030 455.9075+0.1725*T 8.85855+0.02215*T-6.58021E-6*T2
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表 2 氩气空间计算边界条件
边界位置 吊桶外表面 预埋件上表面 装卸料通道超出预埋件部分 不锈钢表面
钠液面 其他壁面
边界条件类型
第 3 类边界条件
第 3 类边界条件 第 3 类边界条件
图 6 X=0 截面 0 至 0.005m/s 速度区间流场分布图
为 56.17℃，符合设计限值要求。 钠液区域流动分析 在乏组件转换桶中乏组件的区域钠液的流动特性对于乏
组件的冷却有非常重要的影响，细化分析后发现乏组件区域 存在着轴向温度分布的不均匀，在远离乏桶出入口通道的位 置温度相对较高，这主要是由于冷却剂周向流动分布的不均 匀导致的。如下图 6 所示为 X=0 截面 0 至 0.005m/s 速度 区间流场分布图。但是钠液的流速差异并不是很大并且钠液 的导热率足够高，因此周向的温度差异很小。
（1） 式中 ρ 表示流体的密度；u、v、w 分别表示流体速度 矢量 U 在三个坐标上的分量；t 表示时间。 （2）动量守恒定律：
（2）
（3）
（4） 式中 Su、Sv、Sw 为三个动量方程的广义源项，p 为为 微元体的压力，η 为动力黏性系数。 （3）能量守恒定律：
（5） 式中 h 为流体比焓，Sh 为流体内热源，λ 为流体导热 系数，φ 为耗散能。 （4）湍流模型 选择合适的湍流模型，对于模拟计算有重要的影响。标
共轭传热边界条件；对于简化为无厚度面的部件，采用设置 热阻值的方式进行等效。由于氩气开启了辐射模型，对于与 氩气接触的壁面，均与氩气进行辐射换热。详细边界条件如 表 2 所示。
几何以及网格建模
乏组件转换桶整体结构的尺寸与局部部件的尺寸相差较 大，如果采用原始结构进行网格划分，初步粗算网格量巨大 （亿级以上），且网格质量不易提高。因此在整体计算过程中， 考虑到乏桶的几何对称性，对模型进行几何简化，保留对计 算结果影响较大的几何特征。建立 1/2 的几何模型如图 1 所示。
可实现度
可替代度
影响力
真实度
行业关联度
CFR600 乏组件转换桶数值模拟研究
乏组件转换桶作为快堆燃料操作系统堆外转运过程中一个重要的中 间枢纽，为乏组件堆外转运过程提供临时贮存冷却。为保证乏组件转换 桶的结构完整性，在乏组件转换桶与预埋件之间布置了氩气作为隔热层， 从而降低顶部承载结构预埋件的温度峰值。本文采用计算流体力学程序 STAR-CCM，针对示范快堆乏组件转换桶的设计方案进行热工水力计 算。研究结果认为，乏组件转换桶在预定的设计方案下，满载工况下预 埋件下钢板的温度峰值、乏组件转换桶出口钠温均能满足设计要求。
计算结果
满载工况温度和速度分布 经过计算，当满载工况下，入口钠液质量流量为 6.5kg/ s 时，桶体内速度和温度分布如图 4 所示，吊桶区域内的氩 气为封闭空间内的自然循环，最大速度为 0.51m/s。钠液区 域虽然存在强迫循环，但是桶体内尺寸较大，内部的流速较 为缓慢为 0.004m/s，仅在进出口通道位置处，由于管道的 尺寸较小，流速相对较大为 2.13m/s。乏桶出口温度最大值 为 240.35℃，满足设计限值要求。 满载工况下，预埋件温度分布如图 5 所示，整个预埋件 的最高温度为 56.17℃，最低温度为 41.76℃。沿着高度方 向，随着高度的增加温度逐渐降低，靠近高温传动轴及装卸 料通道位置的预埋件温度相对较高。预埋件下端面最高温度